摘 要： 針對節點具有多個可用信道的自組網的信道資源利用率問題，提出了一種基于認知無線電的MAC接入協議，協議根據網絡中節點的鄰居關系，通過認知推理對兩跳鄰居范圍內的不同網絡節點分配不同的駐留信道，駐留信道的選擇考慮了避免信道干擾和沖突，每個節點只需要兩部半雙工收發信機就能夠實現在多個信道上高效的數據收發。仿真結果表明，協議在網絡總吞吐量、端到端時延等方面具有優良的性能，能很好地適用于節點密集的應用場合。
??? 關鍵詞： 自組網；認知無線電；信道分配；多信道；MAC協議
?
自組網(Ad-hoc Networks)[1]是一種移動通信和計算機網絡相結合的網絡，MAC協議是其設計、研究的主要技術難點之一，網絡的性能如吞吐量、容量、時延及功耗等性能都依賴于所采用的MAC協議。現有自組網對頻譜資源的使用所基于的網絡頻譜資源固定分配假設存在2個缺陷：未考慮網絡周圍電磁頻譜資源利用對網絡容量的影響；未考慮任意時間任意地點靈活構建的自組網作為臨時性網絡存在時與周圍電磁環境的兼容問題。現有自組網MAC技術主要基于MAC層的預約和沖突避免，沒有充分考慮底層監測信息的共享，導致網絡開銷大且效率不高。如何提高頻譜利用率，在各地區和各個時間段里有效地利用不同的空閑頻道，成為如何進一步提高和優化網絡性能問題的另一個重要技術手段[2]。
在軟件無線電基礎上提出的認知無線電CR(Cognitive Radio)是一種新的智能無線通信技術[3]。在自組網中采用CR技術，通過對網絡周圍電磁環境感知信息的分析推理，在網絡不同覆蓋范圍和時間段有效利用不同的空閑頻譜資源。一方面，可有效解決信息流量急劇增加與頻譜資源緊張之間的突出矛盾，改善網絡容量和傳輸瓶頸問題；另一方面，可解決自組網在復雜多變電磁環境下系統的干擾問題和頻譜管理問題，改善網絡電磁環境的兼容問題。在自組網中通過CR對網絡電磁環境的認知推理和共享利用，能把自適應MAC技術推向更高層次的智能化，改善現有自組網中典型的隱藏終端和暴露終端問題[4]。現有自組網路由技術由于底層MAC技術的局限而性能較低，尤其是多徑路由。通過共享認知無線電對周圍電磁環境感知信息實現底層MAC性能的提高，可有效地改善路由開銷、多徑路由的耦合等問題，大大改善網絡的分組傳輸時延低、時延抖動小等服務質量的性能，滿足網絡業務量和業務類型不斷增長的需要[5-6]。基于CR的自組網終端作為網絡中的基本節點，在更高級更復雜的應用中，還應具備對傳播條件的自適應功能、多種優良的抗干擾能力以及靈活多變的多址方式、多種業務、多種組網與接口的能力等，從而面臨類似于多信道軟件無線電臺的組網問題[7]。基于CR頻譜感知的MAC接入技術，可以在由不同信道和調制方式構成的多徑物理拓撲情況下完成代價最小的低耦合多路徑路由集合構建，并結合路由協議解決具有不同傳輸質量和容量的多信道構成的多條路徑間的業務流分配問題[8-9]。
目前已經有不少關于多信道的MAC協議提出，參考文獻[10]在對近20種已提出的設計方法進行詳細研究的基礎上，提出了一種拓撲無關的多信道MAC協議。協議采取按需方式對信道進行動態預約，所需要的信道數與網絡的拓撲和最大連接度無關，不需要在所有網絡節點之間進行時鐘同步，每個節點只需要1部收發信機進行信道狀態監測和數據收發。協議能夠很好地支持節點的移動性和適應網絡業務流強度的變化，對節點的硬件配置要求很低。但是，該協議對于多信道切換時的耳聾問題沒有進行很好的解決，即相鄰節點在通信過程中有可能由于偵聽著不同信道而無法進行信息交互。耳聾問題在多信道自組網中經常發生，造成拓撲結構的動態變化，進而影響網絡性能。
??? 基于上述分析，本文針對自組網多信道MAC設計中的耳聾問題和通信沖突問題，在參考文獻[10]協議的基礎上對每個節點增加了1部收發信機，提出了一種新的多信道MAC協議，采用認知無線電設計思想進行設計，通過認知推理對不同網絡節點分配不同的駐留信道，駐留信道的選擇考慮了避免信道干擾和沖突，有效提高了網絡信道資源利用率。
1 協議描述
1.1 基本假設
??? 假設每個節點已實現頻譜感知功能，監測其無線覆蓋范圍附近的頻譜使用情況并識別可用頻譜。每個節點配備2部半雙工收發信機，每部收發信機都是頻率敏捷的，可以在所選擇的可用信道之間快速切換。
??? 假設在網絡初始化時，每個節點可以通過交互控制消息知道其兩跳鄰居節點的狀態信息，1個節點發出的消息能夠被其所有的鄰居節點在很短的時間內正確收到。
??? 每個節點選擇1個信道作為其駐留信道，其他節點可以在任何時候找到該節點并與之通信。假設在節點執行駐留信道選擇算法期間，節點的鄰居關系及鄰居狀態不發生改變。節點將1個收發信機用于監聽駐留信道以接收其他節點發送給它的數據，直到由于主用戶的出現或節點移動等原因導致鄰居關系發生變化，使得本節點在駐留信道上接收到其他用戶的RTS/CTS等控制分組，之后通過重啟駐留信道選擇過程為本節點選擇1個新的駐留信道。節點將另1個收發信機用來發送數據，當節點有數據要發送時，切換到與之通信的節點所在駐留信道上發送數據。
1.2 協議設計思想
??? 基于多信道的自組網MAC協議包括信道分配和接入控制，前者負責為通信節點對分配相應的信道，使盡量多的節點可以無沖突地同時通信，后者負責確定節點接入信道的時機、沖突的避免和解決方式。本文協議中，信道分配主要是由各節點通過頻譜感知獲得可用頻譜，在可用頻譜中分布式選擇駐留信道，并通知其鄰居節點；信道接入則是各節點在有數據發送時，將其用于數據發送的收發信機切換到需要進行數據交互的鄰居節點的駐留信道上，采用競爭方式占用信道進行數據交互。因此，本協議的設計重點是沖突避免的可用信道選擇分配。
??? 網絡初始化階段，各個節點首先通過頻譜感知模塊獲得網絡中可用信道集合。如果節點沒有收到來自其他節點的駐留信道占用信息，就在可用信道中隨機選擇1個信道作為本節點的駐留信道。收到其他節點駐留信道占用信息的節點，則在節點駐留信道狀態表中記錄下鄰居節點的ID號及所在駐留信道，并根據當前兩跳鄰居節點駐留信道狀態表，在剩余的可用信道中盡量選擇1個與所有兩跳內鄰居節點駐留信道不同的信道作為本節點的駐留信道。如果節點無法選擇到與兩跳范圍內所有鄰居節點駐留信道完全不同的信道，則盡量使得相鄰節點不使用同1個信道作為駐留信道。完成了駐留信道選擇的節點后，將本節點所在駐留信道及本節點當前所記錄的一跳鄰居節點駐留信道狀態表，通過廣播的方式告訴其鄰居節點。
??? 可見，本協議的實現主要依據鄰居節點的駐留信道狀態表，該表的建立及更新通過如下方法實現：對于一跳鄰居節點駐留信道狀態表和兩跳鄰居節點駐留信道狀態表，每個節點都維護一個鄰居節點駐留信道狀態表，該表記錄兩跳范圍內鄰居節點當前所在的駐留信道，其更新通過鄰居節點控制信息交互實現。因此，節點駐留信道狀態表包括：鄰居節點ID號；節點屬性為一跳或兩跳；節點當前所在駐留信道。
??? 在鄰居節點駐留信道狀態表的基礎上，各節點根據下述分布式方法實現兩跳鄰居范圍內的無沖突駐留信道選擇：通過鄰居節點駐留信道狀態表構造兩跳沖突拓撲圖G，該圖頂點集
，節點vi對應可選信道集Ci。根據兩跳沖突拓撲圖優化選擇各節點駐留信道，使相鄰兩跳范圍內的所有節點不選擇相同可用信道作為駐留信道，如果無法實現，則盡量使相鄰節點不使用同一個信道。當|Ci|=1時，節點vi選定信道。
??? 可見，通過上述方法，網絡實現了避免沖突的可用多信道選擇分配，該方法具有3個特點：
??? (1)完全分布式的信道選擇在每個節點本地完成，可以克服集中式分配算法情況下網絡中信道信息交互引入的附加開銷、控制中心瓶頸等諸多缺陷。
??? (2)每個節點配備兩部半雙工收發信機，1部收發信機駐留在1個與鄰居節點避免沖突的可用信道上，使得節點可以同時在2個信道上進行收發工作，大大提高了網絡的吞吐量，避免了由于耳聾問題而產生的鏈路中斷。
??? (3)節點信道的選擇考慮了避免信道干擾和沖突，對于上層協議性能的提高打下了基礎，有利于優化提高網絡吞吐量。
1.3 多信道分配算法
??? 網絡拓撲初始化完成或重啟駐留信道選擇過程時，信道分配具體算法均如下所述：
??? 步驟1：記錄拓撲圖G的初始度序列d(v)。
??? 步驟2：若G=Φ，算法結束；否則，從小下標開始，選擇1個度最大的節點vi：
??? 步驟4：將選擇的信道分配給節點，結束。
2 性能分析與仿真結果
2.1 性能分析
??? 給出的信道分配方案實現了兩跳范圍內的無沖突信道優化選擇。算法步驟2中的選擇機制保證了在現有條件下最大限度地避免兩跳干擾，這是因為對于避免兩跳干擾的這個目標來說，左右都受到限制的中間節點可選擇性最小，但是又必須選擇，只好選擇1個可能造成干擾最小的信道，這在拓撲圖G中對應的就是度最大的節點。但步驟2中的選擇機制并不能完全避免兩跳干擾，這是由于節點的可選信道太少。步驟3的分類討論可以盡量避免單跳干擾。
??? 算法給出的信道選擇方法為網絡中每個節點分配了1個駐留信道，并通過控制信息交互將其發布給各鄰居節點，從而解決了參考文獻[10]中的耳聾問題。該問題的解決是通過增加1部收發信機實現的。同時，每個節點在其駐留信道上實現其他節點的接入控制，有效地改善了參考文獻[10]中控制信道為網絡吞吐量性能瓶頸的問題，等效于通過增加控制信道改善了數據信道的接入效率。
??? 算法實現兩跳鄰居范圍內的無沖突信道選擇，其復雜度為o(n2)。算法中步驟2每次選擇1個節點，這樣至多循環n次算法結束，在每1個循環中，選擇度最大的節點至多花費o(n)時間，其他的選擇都跟n無關，因此算法的復雜度不超過o(n2)。
2.2 仿真結果
??? 采用仿真工具OPENET 8.1對本文提出的多信道MAC協議進行性能評估的仿真結果分別如圖1和圖2所示。仿真采用參考文獻[10]中的方式進行仿真參數的設置：將60個節點隨機分布在1 000 m×1 000 m區域內，每個節點的通信范圍是250 m，傳播時延時為1 μs，控制分組長度為256 bit，每個節點的分組到達速率為λ分組/s，每個信道都設定為1 Mb/s帶寬。仿真中對協議性能的評估主要集中在協議對網絡吞吐量和端到端時延的影響。在多跳環境中，配合相應的路由協議，本文中的MAC協議將具有更好的性能表現。
?
??? 在給定分組長度為512 B的情況下，網絡總吞吐量與可用信道數N及分組到達速率λ的關系如圖1所示。從圖中可以看出，隨著信道數N的不斷增加，網絡的吞吐量也隨之不斷地增長，但本文算法所獲得的網絡吞吐量性能明顯優于參考文獻[10]中協議。在可用信道數較少情況下，2種算法當分組到達率達到公共控制信道的吞吐量極限時，會引起較多的控制分組沖突。在可用信道數增加的情況下，本文算法能獲得非常大的性能提高。
??? 在分組長度為512 B的情況下，端到端時延特性與信道數的關系如圖2所示。從圖2中可看出，本文多信道分配方式相比參考文獻[10]算法對于網絡端到端時延特性有一定的改善作用，且隨著信道數的增加，其改善程度與網絡吞吐量增加情況具有相類似的變化趨勢。
??? 本文采用認知無線電思想從頻譜理性占用的角度，對改善自組網的頻率資源使用效率問題進行了研究，通過無沖突的分布式信道分配方法，充分發揮通信終端的使用效能，提高自組網網絡容量和對服務質量的支持。仿真結果表明，本文提出的多信道MAC協議在網絡總吞吐量和端到端時延特性方面都具有良好的性能，使得本協議能夠支持更多的數據信道和獲得更好的網絡總吞吐量和端到端時延性能。
??? 下一步將結合路由協議設計，針對現有分布式網絡中的路由開銷、多徑路由耦合等問題進行進一步的研究。
參考文獻
[1] 鄭相全.無線自組網技術[M].北京：清華大學出版社，2004.
[2] 鄭相全.基于認知無線電的移動自組網關鍵技術研究[J].重慶通信學院學報，2006，25(6)：4-7.
[3] MITOLA III J. Cognitive radio： an integrated agent architecture for software defined radio[Ph.D]. Doctor Dissertation， Royal Institute of Technology(KTH)， Sweden： May， 2000.
[4] AKYILDIZ I F， LEE W Y， VURAN M C， et al. Next generation dynamic spectrum access cognitive radio wireless networks： A survey[J]. Computer Networks (Elsevier)， 2006(50)：2127-2158.
[5] FUJII T， SUZUKI Y. Ad-hoc cognitive radio-development to frequency sharing system by using multi-hop network[C]. 2005 First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks， DySPAN 2005， November 8－11，2005：589-592.
[6] XIN C. A novel layered graph model for topology formation and routing in dynamic spectrum access networks[C].Proc. 2005 First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks， DySPAN 2005， November 8－11， 2005：308-317.
[7] 鄭相全，郭偉.軟件無線電臺自組網技術研究[J].電信科學，2004，20(2)：13-18.
[8] RANIWALA A， GOPALAN K， CHIUEH T. Centralized channel assignment and routing algorithms for multi-channel wireless mesh networks[J]. Mobile Computing and Communications Review， 2004，8(2)：50-65.
[9] NIE N， COMANICIU C. Adaptive channel allocation spectrum etiquette for cognitive radio networks[C]. 2005 First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks， DySPAN 2005， November 8－11， 2005：269-278.
[10] 鄭相全，郭偉，葛利嘉.一種新的拓撲無關的按需分配多信道自組網MAC協議[J].計算機科學，2005，32(5)：34-40.